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Point de vue : Du défi au succès

Michel Lefebvre, (JGOOS, France) responsable scientifique TOPEX/ POSEIDON de 1987 à 1995

La mission spatiale TOPEX/POSEIDON est de l'avis général considérée comme une réussite. Si on veut résumer en une phrase, on peut dire que depuis 4 ans, on a été capable de mesurer la topographie de l'océan avec une précision d'un centimètre, à l'échelle d'un bassin, tous les mois.
Cette précision à l'échelle globale permet d'attaquer des problèmes nouveaux. Plusieurs centaines de publications ont parus basées sur l'analyse des données et des premières interprétations.
L'étape suivante, soit l'assimilation des données dans des modèles, a débuté.

 

Définir la mission

L'optimisation des paramètres de la mission a été faite en partenariat avec l'équipe projet au sein d'une équipe de définition ("Science Definition Team") dont l'existence s'est prolongée tout au long des différentes phases du projet par la mise en place du "Science Working Team" (SWT).

Cette approche est exceptionnelle et est la base de la réussite : les membres du groupe avaient, il est vrai, participé aux différentes phases de nombreux autres projets d'altimétrie tels SKYLAB, DORADE, GEOS 3, SEASAT, NROSS, GEOSAT et ERS-1. Plusieurs d'entre eux étaient également impliqués dans des grands programmes mondiaux d'observation des océans tels TOGA (pour les océans tropicaux et l'atmosphère globale) ou WOCE (pour une compréhension de la circulation mondiale des océans). C'est toute cette expérience qui a été mise en oeuvre et qui était nécessaire étant donné les objectifs très ambitieux et novateurs de TOPEX/POSEIDON : la précision demandée étant nécessaire si on voulait passer du stade de la (télé)détection au stade de mesures utilisées comme contraintes dans des modèles.

Il a donc fallu optimiser tous les paramètres, en effectuant les meilleurs compromis. Un exemple significatif est le choix de l'orbite du satellite. Pour l'inclinaison, il fallait éviter l'orbite héliosynchrone pour pouvoir déterminer les marées solaires tout en observant tous les océans. L'altitude devait être aussi élevée que possible pour éviter les effets de traînée atmosphérique tout en conservant un bilan de liaison correct pour le radar altimètre. Enfin le cycle de répétitivité de 10 jours a été le meilleur compromis pour l'échantillonnage de l'océan. Le choix d'orbite conduisait obligatoirement au lancement à partir de Kourou en Guyane et à l'aide d'un lanceur puissant, une Ariane 42P.

Il n'est pas toujours facile non plus de donner une spécification précise. Au moment de la conception, il était techniquement hors de question d'imaginer une stabilité du radar-altimètre au millimètre près. Cette demande paraissait du reste incongrue alors même que les incertitudes sur certaines erreurs atteignaient 10 centimètres ! Néanmoins, l'idée avait été donnée et les résultats obtenus montrent que ces quelques millimètres sont maintenant envisageables et peuvent devenir une spécification.

 

Travailler et aboutir ensemble

L'entité SWT réunit des membres du projet et des scientifiques. C'est une entité apte à résoudre les problèmes, définir les algorithmes, le matériel, les accès aux données, etc. L'équipe scientifique fut sélectionnée (investigateurs principaux et secondaires - "PIs" et "Co-Is" -) à travers un "Appel à Opportunité", appel fait en commun par le CNES et la NASA. Les PIs reçurent très vite les premières données et toutes les informations nécessaires à leur compréhension et leur utilisation. Ils furent capable de présenter leurs analyses à la première réunion de vérification, six mois après le lancement.Un tel retour utilisateur a perduré via les points de rencontre annuels du SWT.

 

Le passage des conditions de départ à la précision ultime

La sensibilité de chaque composante du système altimétrique et des produits altimétriques, associée aux différents types d'erreurs résiduelles, est analysée. TOPEX/POSEIDON comme tout système nouveau réputé plus précis ne peut être facilement évalué : seul un ensemble d'approches différentes - évaluation interne, calibrations externes, résultats de modèles - permet par itérations successives d'affirmer la précision. Dans le cas de TOPEX/POSEIDON où la précision s'est avérée 100 fois plus précise que les expériences précédentes et 10 fois plus que les résultats escomptés, il a fallu un effort convergent et permanent pour arriver à déterminer la précision du système.

 

Le bénéfice de la redondance des systèmes

Il fallait utiliser toutes les redondances système. Les 2 altimètres, les systèmes de suivi d'orbite, les 2 oscillateurs ultra stables et les 2 sites de calibration ont rendu possibles une calibration croisée et des méthodes d'évaluation différentes. Plusieurs équipes ont travaillé sur chaque composante du système altimétrique et échangé leurs résultats.

Un exemple frappant est le calcul d'orbite précise, basé sur l'utilisation de trois systèmes de poursuite d'orbite. Un premier objectif fut de détecter et mesurer les erreurs systématiques associées à chaque système : synchronisation temporelle de 20 µs pour DORIS, écart radial de la mesure de hauteur de 6 cm PS, fonction de transfert pour l'ensemble des cubes laser.
Des méthodes différentes furent appliquées pour le calcul de l'orbite précise : dynamique, dynamique-réduite, quasi-géométrique. Cela nous a permis d'analyser les sources d'erreur venant des modèles, des positions des stations et de la propagation du signal. La sensibilité de la surface océanique aux erreur résultantes et plus particulièrement les erreurs géographiquement corrélées ont été étudiées. Des comparaisons semblables furent faites pour l'ionosphère, le contenu en vapeur d'eau, le biais électromagnétique, tout cela afin d'améliorer l'ensemble des performances.

Le dialogue entre les scientifiques et les équipes projets ont permis d'isoler le vrai signal géophysique et océanique. Un large éventail d'études menées par les PIs à partir de données sur site fut aussi un complément vital pour les équipes projet des sites de calibration.

 

La précision (in)attendue

Fin 1995, la mission nominale accomplie, après 3 années de coopération fructueuse, le SWT  se met d'accord sur les améliorations à apporter et les données furent retraitées.
Cela demanda beaucoup d'efforts de la part de chacun des centres de traitement et de production, ainsi que des coûts supplémentaires, mais cela en valait la peine.

Les objectifs les plus optimistes sont atteints. On voit même apparaître la possibilité d'atteindre les variations du niveau de la mer avec une précision de 2 millimètres par an.

 

Et la suite...

Les résultats de la mission TOPEX/POSEIDON sont très encourageants pour la mise en place de prochains systèmes altimétriques précis tel que Jason. Ils confirment aussi ce besoin de dialogue permanent et par delà les océans entre les équipes techniques et la communauté des utilisateurs, ce besoin d'interaction efficace pour les équipes opérationnelles, ainsi qu'un accès rapide, efficace et facile aux données.
La manière dont nous sommes organisés, incluant compétition et émulation, semble tout à fait approprié. Cependant il faut des années pour bien comprendre les traitements, les tests, la validation, l'évaluation et l'analyse des données altimétriques et nous devons rentabiliser cet investissement. Maintenir la continuité des équipes est aussi important qu'assurer la continuité du système.

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